Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Крупномасштабные волновые возмущения в системе антарктического циркумполярного течения

ВАК РФ 11.00.08, Океанология

Автореферат диссертации по теме "Крупномасштабные волновые возмущения в системе антарктического циркумполярного течения"

гс.

ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА РОССИИ ПО ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИИ И р- МОНИТОРИНГУ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

ТоСУ ДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ АРКТИЧЕСКИЙ И АНТАРКТИЧЕСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ИНСТИТУТ

На правах рукописи

ЗАХАРЧУК ЕВГЕНИЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

КРУПНОМАСШТАБНЫЕ ВОЛНОВЫЕ ВОЗМУЩЕНИЯ В СИСТЕМЕ АНТАРКТИЧЕСКОГО ЦИРКУМПОЛЯРНОГО ТЕЧЕНИЯ

Специальность 11. 00. 08 - океанология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата географических наук

Санкт-Петербург - 1997 г.

!'абота выполнена в Государственном научном центре Российской Федерацш Арктическом и Антарктическом научно-исследовательском институте

Научные руководители: доктор географических наук, профессор

B. Р. Фукс

кандидат географических наук

C. К. Павлов

Официальные оппоненты: доктор географических наук, профессор А. В. Некрасов

кандидат физико-математических наук А. В. Клепиков

Ведущая организация: С- Петербургское отделение Государственного океанографического института

Защита диссертации состоится 1997 года в часов СЧ^умл на

заседании Специализированного совета д. 024. 04. 01 в ГНЦ РФ ААНИИ по адресу: 199397, Санкт-Петербург, ул. Беринга, д. 38.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Арктического и Антарктического научно-исследовательского института.

Автореферат разослан " 1997 Г-

Ученый секретарь Специализированного совета д. 024. 04. 01.

кандидат географических наук //г. П. Карклнн

/ '

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ.

Среди различных видов нестационарных движений в океане особую роль играют низкочастотные волны, обусловленные вращением и сферичностью Земли, изменчивостью донной топографии и струйными эффектами в крупномасштабных течениях. Длины этих волн колеблются от сотен до тысяч километров, а периоды - от суток до нескольких месяцев. Процессы таких пространственно-временных масштабов, согласно классификации А. С. Монина (1972). относятся к синоптическому диапазону изменчивости океанологических параметров. Так как пространственные масшта оы низкочастотных поли могут захватывать и диапазон глобальных колебаний, то :'ТН полны называют еще крупномасштабными волнами.

Начало теоретических исследований крупномасштабных волн в атмосфере и океане, по-видимому, можно отнести к 90-м годам XIX века, когда Маргулес, Лейм, а ?атем Хонт [см. обзор О. V/. РЫгтап (19Л8)] установили, что "приливные уравнения" Лапласа имеют решения, которые наряду с гравитационными волнами содержат низкочастотные волны, связанные с вращением Земли. Эта теория практически оставалась без применения к задачам гидрометеорологии вплоть до конца 30-х годов нашего века, когда К. Россби (1939) открыл в приближении "Р-плоскости" низкочастотные волновые движения в атмосфере, которые затем были названы в честь него волнами Россбн. В дальнейшем интерес ученых к волнам Россби значительно возрос и были получены важные теоретические результаты, выявившие различные особенности их динамики. Однако, при этом, теоретические предсказания явно опережали эмпирические исследования. Длительное время еще, после открытия волн Россби, исследователи игнорировали их при планировании натурных океанологических экспериментов и решении различных прикладных задач океанологии, считая, что эти явления вносят незначительный вклад в энергетику океана и, предполагая тем самым, что процессы в океане являются относительно стабильными. С другой стороны, из-за трудностей организации наблюдений и их большой стоимости, а также ограниченных возможностей приборов в те годы трудно было получить статистически представительные наблюдения за процессами синоптического масштаба.' Прорыв в знаниях об изменчивости океанологических полей в синоптическом диапазоне масштабов произошел в начале 70-х годов нашего века после проведения в открытых районах тропической Атлантики специальных натурных экспериментов, ПОЛИГОН, МОДЕ , ПОЛИМОДЕ . Эти эксперименты показали, что в исследуемых районах океана энергия процессов синоптического масштаба в несколько раз превышала энергетический вклад процессов других масштабов. Поле возмущений синоптического

масштаба в океане представляло собой сложную вихре-волновую структуру. Синоптические вихри и низкочастотные волны имели пространственные масштабы несколько сотен километров и распространялись со скоростями 5 - 10 см/с в западном и юго-западном направлении. Подобные эксперименты в других районах Мирового океана выявили сходные результаты. Дальнейшие теоретические исследования показали, что возмущённа синоптического масштаба могут в значительной степени вчиять на крупномасштабные течения, подпитывая их кинетической энергией (явление "отрицательной вязкости") или, наоборот, забирать энергию у среднего потока.

В большинстве исследований прямо или косвенно низкочастотные волны идентифицировались, как волны Россби. .1. С. МсХУПНапк (1978), по-видимому, первый выделил особый класс низкочастотных волн, который он назвал струйными волнами. Этот вид волновых движений только начинает исследоваться на теоретическом уровне.

Южный океан, с точки зрения изучения крупномасштабных волн, представляет огромный интерес. Режим этого океана резко отличается от других регионов Мирового океана из-за географического положения, наличия материка л полярной области, свободного сообщения с другими океанами и отсутствия меридиональных барьеров. Последняя особенность обусловливает существование самого широкого и мощного в Мировом океане квазизонального Антарктического циркумполярного течения (АЦТ). Из-за отсутствия меридиональных преград здесь невозможен баланс Свердрупа, что по мнению исследователей приводит к возрастанию роли процессов синоптического масштаба в динамике АЦТ. Однако эти процессы в Южном океане мало изучены. Большее внимание исследователями уделялось синоптическим вихрям, хотя различные натурные наблюдения показывают, что в этом регионе преобладают низкочастотные волновые движения. Динамика крупномасштабных волн в АЦТ совершенно не исследована. Крайне ограниченными до сих пор остаются попытки выделить крупномасштабные волны в АЦТ на основе статистически представительных наблюдений. Не исследованы закономерности распространения н трансформации этих волн в реальных условиях. Не определены происхождение и механизмы их возникновения. Не сделаны попытки сопоставления эмпирических результатов с теорией низкочастотных роли. Большое значение имеют следующие вопросы: почему энергия процессов синоптического масштаба концентрируется в зоне АЦТ, резко убывая за его пределами, и, какую роль играют крупномасштабные волновые возмущения этого течения в общей динамике вод Южного океана. Струйный характер АЦТ предполагает развитие в нем струйных волн. Поэтому представляется интересным оценить сравнительный вклад волн Россби, топографических и струйных волн в

изменчивость АЦТ. Решение этих вопросов необходимо для изучения физических закономерностей, правильного описания низкочастотных волновых процессор п океане, анализа механизмов их генерации и интерпретации данных океанологических наблюдений.

ЦЕЛЬЮ РАБОТЫ является исследование крупномасштабных волновых возмущении в системе АЦТ к определение их роли в обшей динамике вод Южног-океана.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Определение основных энергонесуших частот в колебаниях течений к уровня в Южном океане в синоптическом диапазоне масштабов.

2. Исследование временном и пространственной структуры крупномасштабных волновых возмущений в системе АЦТ.

3. Выявление происхождения и механизмов генерации крупномасштабных волн в АЦТ.

4. Оценка вклада крупномасштабных волновых возмущений АЦТ в общую динамику вод Южного океана.

ФАКТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ. Для исследования крупномасштабных волн использовались следующие материалы:

а) данные ежечасных измерений течений на 4 советских буйковых станциях с 18 измерителями БПВ-2 (по 4 - 5 на каждой), работавших в рамках эксперимента "ПОЛЭКС-ЮГ-79 с декабря 1978 г. по февраль 1979 г. в районе между Африкой н Антарктидой;

б) данные измерений течений с интервалом 10 мин на 3 английских буйковых станциях с тремя измерителями Aanderaa на каждой, работавших в феврале и марте 1979 г. в период британской экспедиции на судне "Дискавери"

в) данные ежечасных измерений течений на 7 американских буйковых станциях, оборудованных | - 3 измерителями Aanderaa, которые работали в рамках международного (США - Новая Зеландия) натурного эксперимента RIDGE. Продолжительность наблюдений на этих станциях колебалась от 4 месяцев до 1.5 лет.

г) данные ежечасных 1.5 - 2-х летних наблюдений за уровнем на 2 южноафриканских береговых станциях Порт Элизабет и Симоне Бэй и 2 антарктических береговых станциях Сева (Япония) и Дюмон д'Юрвиль (Франция).

д) альтпметрическая информация.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

При анализе рядов течении и уровня были использованы: векторно-алгебраическии метод исследования течении, кореляиионно-спектральный метод анализа скалярных процессов, метод наименьших квадратов гармонического анализа приливов и взаимно-корреляционный анализ течений и уровня. При выводе дисперсионных соотношении для низкочастотных волн использовались известные гидродинамические модели.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:

1. В синоптическом диапазоне изменчивости колебаний течений и уровня в АЦТ доминируют не синоптические вихри, а низкочастотные волновые возмущения с характерными длинами 80 - 650 км, периодами от 10 до 113 суток, фазовыми скоростями 2-14 см/с, как западного, так и восточного направления.

2. АЦТ является волноводом для крупномасштабных волн.

3. Низкочастотные волновые возмущения в АЦТ представляют собой суперпозицию баротропных волн Россби, топографических и струйных волн, при преобладающем энергетическом вкладе последних.

■4. Крупномасштабные волновые возмущения АЦТ вносят существенный вклад в общую динамику вод Южного океана.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА работы состоит б исследовании изменчивости АЦТ с точки зрения динамики крупномасштабных волновых возмущений, подобных волнам Россби, топографическим и струйным волнам. Описана пространственно-временная структура низкочастотных волн и оценены их характеристики в различных районах Южного океана. Из уравнений движения и неразрывности в приближении теории квазигеостро<1 ических баротропных воли на струйном зональном течении получены дисперсионные уравнения для волн Россби и струйных волн. Проведено сравнение теоретических дисперсионных соотношений с эмпирическими результатами в различных районах Южного океана. Выявлено преобладание в АЦТ струйных волн над волнами Россби и топографическими волнами. Разработан прием приближенной оценки вектора максима; ,ной корреляции мсэду течениями и уровнем.- Выявлена высокая корреляция между низкочастотными возмущениями течений в стрежне АЦТ и . колебаниями уровня синоптического масштаба у берегов Южной Африки и Антарктиды. На основе гидродинамических уравнений получены соотношения для корреляционных функций течений и уровней и дана физическая трактовка инвариантов вектора взаимной корреляционной функции.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ.

Полученные результаты могут быть использованы при интерпретации данных натурных наблюдении, усовершенствовании методов прогноза низкочастотных волн н колебании климата. Выводы работы представляют интерес для дальнейшего развития теории низкочастотных волн и оценки их вклада в энергетику и динамику океана.

АПРОБАЦПЯ ДИССЕРТАЦИИ.

Результаты диссертации обсуждались и докладывались на IV Всесоюзном конференции "Перспективные методы планирования и анализа экспериментов пои исследовании случайных полей и процессов" ( г. Петрозаводск, 199! г.), XVIII Генеральной Ассамблее Европейского Геофизического общества (г. Висбчден. Германия, 1993 г.), научном гидрометеорологическом семинаре в С-Петгрбургском Государственном университете (1996 г.)

Содержание диссертационной работы отражено в Я научных публикациях.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации Мб страниц, в том числе 28 рисунков и 27 таблиц. Список литературы включает «4 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ВВЕДЕНИЕ

Обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются цель и задачи работы, кратко излагаются ее структура и основное содержание.

Глава 1. СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О КРУПНОМАСШТАБНОЙ ИЗМЕНЧИВОСТИ ТЕЧЕНИЙ И УРОВНЯ В ЮЖНОМ ОКЕАНЕ.

На основании результатов различных океанологических наблюдении излагаются современные представления о крупномасштабной изменчивости течений и уровня в Южном океане.

1.1. Дается краткая физико-географическая характеристика и отличительные особенности Южного океана. Описывается история исследования процессов синоптического масштаба в Южном океане. Обобщаются результаты долгопериодных наблюдений за течениями и температурой на буйковых станциях в различных регионах Южного океана. Эти результаты выявили, что в данном регионе доминируют

к

процессы синоптического масштаба с периодами от 10 суток до нескольких месяцев. Возмущения течений были высоко когерентны по вертикали и смешались на восток и юго-восток со скоростями 10-14 см/с. Кинетическая энергия возмущений синоптического масштаба была сравнима с кинетической энергией среднего потока или превышала ее в несколько раз.

Сравнения оценок кинетической энергии средних течений и течений синоптического масштаба на поверхности Южного океана, полученных по многолетним данным о дрейфе и сносе судов, а так же по данным дрейфующих буев показали преобладание энергии течений синоптического масштаба в несколько раз.

. В последнее время, с развитием космических методов изучения океана, появилась возможность более полной оценки пространственной структуры возмущений синоптического масштаба. Особенно перспективной в этом плане представляется спутниковая альтиметрия, позволяющая исследовать изменчивость топографии поверхности океана.

I. 2. Анализируются результаты альтиметрическнх съемок Южного океана из космоса по данным американских.спутников Seasat (1978 г.) и Geosat (1985-1989 гг). На альтиметрическнх картах изменчивости уровня моря АЦТ выделяется в виде зоны высокой изменуивостн топографии поверхности океана. Эта зона имеет ширину 800 -2200 км и тянется непрерывной лентой через весь Южный океан. Вне зоны АЦТ изменчивость уровня резко падает. При сравнении альтиметрической карты Seasat и карт динамической топографии Южного океана видна очень хорошая согласованность р положении АЦТ. На альтиметрическнх картах спутника Geosat с 3-х месячным осреднением данных АЦТ представляет собой "цепочку" возмущений в топографии морской поверхности в виде чередующихся и, чаще всего, вытянутых в зональном направлении холмов и впадин, с пространственными масштабами от 300 до 1900 км. При осреднении данных до 1 года на месте АЦТ видна уже не "цепочка" возмущений, а несколько очень длинных полос высокой изменчивости уровня моря вытянутых в квазизональном направлении (L. L. Fu et al, 1988). Нами делается предположение, что эти полосы высокой изменчивости топографии поверхности океана должны представлять собой пути п"> которым движутся возмущения. Анализ альтиметрическнх данных спутника Geosat в индоокеанском секторе Южного океана выявил в АЦТ выраженную волновую структуру крупномасштабных возмущений топографии морской поверхности. Волны с периодами 60 - 180 суток и длинами 300 - 600 км распространялись, как в западном, так и в восточном направлении со скоростями 2-8 см/с (Y-H. Park, 1990).

1. 3. Дискутируется вопрос, какие явления преобладают в А ЦТ в синоптическом диапазоне масштабов - волны или вихри. Н. L. Bryden (1983). анализируя псе исторические инструментальные наблюдения за вихрями в проливе Дрейка отмечает, что годовые измерения течении на полигоне буйковых станции в !977 г. показали много меандров и только несколько изолированных рингов. Похожая картина наблюдалась при нашем анализе данных по течениям на полигоне буйковых сганииР. который был развернут на северной периферии АЦТ, юго-восточнее Нопой Зеллшпн в течение 7 месяцев 1978 г. Нами было выявленно, что синхронное распределение среднесуточных векторов скорости течении на горизонтах 2000 м и 4000 м эдел, показало циклоническое вихревое движение в течение 11 суток лишь один раз. при сравнительно низких скоростях течении (1,6 - 13 см/с) в этот период. Анализ траекторий 300 дрейфующих буёв в Южном океане выявил также преобладание волновых возмущений с длинами 200-400 км и периодами 10-24 суток (В. Г. Корт, 1981). Петлеобразные участки траекторий, которые, по-видимому были связаны с синоптическими вихрями, наблюдались всего около 20 раз (В. М. Каменкоаич и др., 1982). Критические замечания, относительно столь малочисленных проявлений синоптических вихрей п Южном океане, сводятся к тому, что захвату дрейфующих буев вихрями мешает сильное среднее дрейфовое течение на поверхности океана. Однако, оценки средней кинетической энергии скорости дрейфующих буёв в зоне их распространения оказались в среднем в 2-3 раза меньше кинетической энергии возмущений синоптического масштаба в скорости дрейфа буёв (N. Daniault, Y. Menard, 1985). Поэтому, маловероятно, что среднее течение существенно затрудняло захват буёв синоптическими вихрями.

Результаты дрифтерных наблюдений в Южном океане очень заметно отличаются от наблюдений течений в районе Гольфстрима с помощью поплавков нейтральной плавучести (В. М. Каменковнч и др., 1982), где траектории поплавков в слое 200-1500 м представляли собой, в основном, петлеобразные и спиралеобразные участки, связанные, по-видимому, с синоптическими вихрями. Подобные различия между динамикой Гольфстрима и АЦТ отмечаются и вихреразрашающими моделями. Так, в вихреразрешающей модели Южного океача на горизонте 100U м АЦТ представляет собой меандрирующую струю шириной 400-500 км. Длина волн составляет примерно 800 км. Волны распространяются на восток со скоростью 25-30 см/с. Немногочисленные и слабо выраженные вихри наблюдаются только по краям АЦТ (Й. О. Вольф и др., 1990). Вихреразрешающая модель Гольфстрима показывает узкую

сильно меандрирующую струю d окружении многочисленных и очень энергичных вихрен (W. R. Holland. 1978; J. Veron. С. Le Provost, 1991).

В работе Т. В. Белоненко к др. (рукопись) исследуется вопрос, как видоизменяется среднее линейное поле температуры при прохождении синоптического вихря и низкочастотной волны. Для этого численно решалось уравнение переноса тепла. Возмущение уровня в вихре, который смешался в зональном направлении, апроксимировалось колоколообразной функцией, а в зональной волне - косинусоидой, амплитуда которой уменьшалась в меридиональном направлении по экспоненте. Результаты показали, что при прохождении вихря среднее поле температуры преобразуется в диполь. Подобный результат получался и при прохождении волны. Различие было лишь в наклоне оси симметрии в диполях. Этот результат показывает, что структуры с замкнутыми изотермами и нзохалинамн, которые по данным океанографических съемок принимались за вихри, с такой же долей вероятности могли быть и низкочастотными волнами.

Все это позволило нам предположить, что в АЦТ в синоптическом диапазоне изменчивости течений преобладают не вихри, а низкочастотные волны.

Таким образом, анализ результатов инструментальных наблюдений в Южном океане, полученных различными исследователями, приводит нас к следующим выводам:

1. В океанологических полях Южного океана преобладают возмущения синоптического масштаба, которые имеют цикличности от 10 суток до нескольких месяцев, пространственные масштабы от 60 до 1900 км и смещаются со скоростями 2-14 см/с, как в западном, так и в восточном направлении.

2. В возмущениях течений синоптического масштаба доминирующей является баротропная составляющая скорости.

3. Направления и скорости смещения возмущений синоптического масштаба в АЦТ и их пространственно-временная структура позволяют предположить, что они связаны в основном не с синоптическими вихрями, а с крупномасштабными волнами в поле течений.

4. Энергия этих волн концентрируется преимущественно в зоне АЦТ, резко убывая за его пределами.

Однако остается неясным, с какими низкочастотными волнами связаны выявлении! возмущения, каковы особенности их вероятностных характеристик, механизмы происхождения и генерации, какую роль играют эти волны в общей динамике вод Южного океана.

Глава 2. ОСНОВНЫЕ ЭНЕРГОИЕСУЩИЕ ЧАСТОТЫ В КОЛЕБАНИЯХ ТЕЧЕНИЙ И УРОВНЯ В ЮЖНОМ ОКЕАНЕ ПО ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫМ НАБЛЮДЕНИЯМ.

В этой главе сделана попытка приложения методов векторно-алгебрапческого анализа течений к исследованию вероятностной структуры низкочастотных волн. С помощью векторно-алгебрапческого метода в стационарном приближении исследуются различные вероятностные характеристики волновых возмущений течений синоптического масштаба в 2 регионах АЦТ. Проводится статистический аншь') колебаний уровня в береговых пунктах Южного океана. Оцениваются вклады процессов различных временных масштабов в общую изменчивость течений и > ровня.

2. 1. Обосновывается выбор метода исследования течений. Кратко описываются недостатки покомпонентного метода по сравнению с векторно-алгебраическмм /

методом анализа течений, разработанного группой ученых С-П. отд. ГОИНс. под руководством профессора В. А. Рожкова.

Течения в океане являются сложным нестационарным векторным вероятностным процессом, закономерности которого должны быть инвариантны относительно принятой при анализе системы координат. Корреляционная и спектральная функции векторного процесса есть тензор-функции, а при фиксированном сдвиге - это тензора 2-го ранга. Если не учитывать вертикальную составляющую скорости течения, то эти тензора будут иметь по 4 компоненты. Чаще всего, при анализе течении покомпонентным методом рассчитываются по отдельности только 2 компоненты этих тензоров, что уже является неполным анализом. Кроме этого, все 4 компоненты корреляционного и спектрального тензоров зависят от выбора системы координат, т. е. они не являются инвариантами. Из-за того, что в покомпонентном методе каждый элемент тензора рассматривается по отдельности, искусственно разрывается связь внутри единой характеристики - матрицы корреляционного или спектрального тензора.

В векторно-алгебраическом методе естественным образом вводится принцип объединения элементов матриц вероятностных характеристик в виде аргументированного алгоритма вычисления инвариантов тензора, раскрывающих совокупность кинематических свойств анализируемого векторного процесса. Этот метод несет намного больше информации о векторном процессе.

2. 2. С помощью векторно-алгебрапческого метода в стационарном приближении исследуются различные вероятностные характеристики течений на буйковых станциях в районе между Южной Африкой и Антарктидой и юго-западнее Новой Зеландии.

2. 2.1. В районе между Южной Африкой и Антарктидой 7 буйковых станции были выставлены приблизительно в виде разреза от 47° ю. ш. по 62° ю. ш. Анализ течений здесь показал, что наибольшая интенсивность изменчивости течений в верхнем 2000 метровом слое связана с процессами синоптического масштаба, имеющими периоды 20 - 40 суток и более. Ниже глубины 2000 м оценки спектральной плотности колебаний течений синоптического масштаба были сравнимы с изменчивостью инерционных и приливных колебаний. Самые высокие значения спектральной плотности в синоптическом диапазоне частот приходятся на зону АЦТ. С глубиной спектральная плотность колебаний синоптического масштаба в АЦТ резко падает (в 6 - 50 раз), в то время, как вне зоны АЦТ она меняется незначительно. Спектральная плотность инерционных колебаний скорости существенно уменьшается в направлении на юг, а для синоптического диапазона наблюдается перемежаемость зон высокой и низкой изменчивости течений. Интенсивность вращения вектора скорости у инерционных и приливных течении в несколько раз выше, чем у течений синоптического масштаба. В подавляющем большинстве случаев, для рассматриваемых цикличностей, характер колебаний в течениях является "анизотропным", однако различие в ориеитацнях больших осей тензорных кривых у различных цикличностей приводит к тому, что примерно в половине рассматриваемых случаев, характер суммарных колебаний скорости течений близок к "изотропному".

2. 2. 2. В районе юго-восточнее Новой Зеландии векторно-алгебраический анализ выявил преобладание в большинстве случаев бимодального распределения плотностей вероятности векторов скорости течений. Разность между модами по направлению близка к 180°, что свойственно волновой структуре колебаний. Большая продолжительность наблюдений за течениями на станции РЖор'|ко (529 суток) позволила исследовать вклады процессов различных временных масштабов в общую дисперсию течений. Оказалось, что в данном регионе наибольшей дисперсией обладают неприливные колебания течений синоптического масштаба (55% - 69% от суммарной дисперсии течений). Меньшей дисперсией обладают глобальные колебания (17% - 24%), долгопериодные приливы (8% -15%) и инерционно-гравитационные колебания (5% - 6%). Вклад суточных и полусуточных приливных течений в общую изменчивость оказался самым незначительным (менее 1%). Колебания течений синоптического масштаба являются "анизотропными" и имеют волновую структуру. Периоды наиболее интенсивных среди них равны 72-115 суткам.

2. 3. С помощью гармоннческого анализа приливов по метолу наименьших вадратов было произведено разделение приливных и неприливных колебании уровня в азлнчных береговых пунктах Южного океана. Сравнение вкладов процессов азлнчных временных масштабов в общую дисперсию колебании уровня выявило одавляюшее преобладание суточных и полусуточных приливов (78% - 92% от уммарной дисперсии). Вклад других процессов намного меньше. Вклад колебании ровня синоптического масштаба в суммарную дисперсию является примерно дииаковым. как на южноафриканских станциях, так и ш> антарктических (5% - 7%), в

V

о время, как вклад долгопериодных приливов в суммарные колебания уровня на обережье Антарктиды в 5 - 16 раз выше, чем на южноафриканском побережье, павным образом за счет годовой и полугодовой гармоники. В спектрах неприливных олебаний уровня синоптического масштаба основные энергонесущне максимумы аходятся в диапазоне периодов от 4 до 70 суток. Обращает на Себя внимание, что по равнению с течениями, где вклад глобальных колебаний в общую изменчивость оставляет 17% -24%, вклад глобальных колебаний уровня составляет около 1%. Так ак теоретически для низкочастотных волн не существует нижнего предела по частоте, о можно предположить следующее. Из-за того, что фазовая скорость низкочастотных олн близки к скорости средних (фоновых) течений в океане образуются критические оны, где из-за нелинейного взаимодействия происходит поглощение или отражение олн. Поэтому волны могут не доходить до берега. По-видимому, это касается и озмущений синоптического масштаба. Среднеквадратическое отклонение уровня в оне АЦТ на альтиметрическнх картах синоптического масштаба в несколько раз [ревышает его оценки в береговых пунктах Южного океана. Полученные результаты юказывают также, что не для всех районов Южного океана альтиметрические карты югут правильно отражать изменчивость топографии поверхности моря, так как югрешность альтиметрическнх измерений сравнима со ср. кв. отклонением уровня |роцессов синоптического масштаба в некоторых прибрежных, пунктах.

Глава 3. ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННАЯ СТРУКТУРА

КРУПНОМАСШТАБНЫХ ВОЛНОВЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ В СИСТЕМЕ АЦТ

Для исследования гипотезы о геострофичности течений в АЦТ проведено сравнение 1ежду эллипсами дисперсии скорости течений в различных районах Южного океана, юлученных по альтиметрическим данным и поданным измерений течений на Чуйковых станциях. По результатам векторио-алгебранческого анализа сделаны опенки

различных iii'napiiiiHTOD взаимной корреляционной, взаимной спектральной тензор-функцин и тензор-функции когерентности. Описана вертикальная и горизонтальная структура крупномасштабных волновых возмущений течений. Рассчитаны различные параметры крупномасштабных волн.

3. 1. Представления о механизме возникновения и кинематики крупномасштабных волн, подобных волнам Россби. могут быть получены в рамках геострофического описли!.: (см. К. В. Коняев, К. Д. Сабинин, 1992 ). Однако, касаясь эволюции течений, уже нельзя говорить об их геострофичности, но, поскольку, периоды крупномасштабных волн (недели - месяцы) гораздо больше характерного времени геострофического приспособления (часы), движение можно считать кназигеострсфнческим, т. е. предполагать геострофический баланс на каждом его этапе и. и то же время, не исключать медленной эволюции всей системы течений в волнах. Поэтому крупномасштабные волны называют еще квазигеострофическими волнами. Проведенный вероятностный анализ течений показал, что в АЦТ преобладают крупномасштабные ьолноаые возмущения. Исходя из этого можно предположить, что возмущения синоптического масштаба в АЦТ должны быть близки к геострофическнм Чтобы проверить это было проведено сравнение характеристик эллипсов дисперсии скорости среднесуточных течений в АЦТ, рассчитанных поданным измерений на буйковых станциях и по данным двухлетних альтнметрнческих наблюдений спутника Geos.it в различных районах Южного океана. Сравнение показало хорошее согласие между характеристиками эллипсов дисперсии, что говорит о том, что течения синоптического масштаба в АЦТ близки к геострофическим.

3. 2. Исследована пространствено-временная структура крупномасштабных возмущений течений в районе между Южной Африкой и Антарктидой. Найдено, что возмущения течений синоптического масштаба очень хорошо связаны по вертикали, почти до придонных горизонтов, что говорит о баротропном характере этих явлений. В горизонтальном направлении на расстояниях от 180 км и выше связь между крупномасштабными волновыми возмущениями неустойчивая и наблюдается на очень больших фазовых сдвигах. Приближенные оценки длин и скоростей распространения волновых возмущений близки к характеристикам низкочастотных волн.

3. 3. Исследована пространственно-временная структура крупномасштабных волновых возмущений в течениях юго-восточнее Новой Зеландии. В этом районе доминируют волновые возмущения с периодами 72 дня, длинами 500-650 км, распространяющиеся на восток-юго-восток со скоростями около 7-10 см/с. Менее интенсивными являются волновые возмущения с периодами 11-13 суток, которые

меют длины КО км и распространяются на юго-восток со скоростями около 7 см/с. За 1ет своих коллннеарных изменений скорости эти возмущения очень хорошо связаны

0 вертикали (почти до дна), и по горизонтали (по крайней мере на расстояния? ;к. 50 м). Результаты взаимно-спектрального анализа показывают, что поэмущеннч течений периодами 72 дня близки к баротропным, а возмущения с периодами 11-13 и 16 - 1К уток имеют выраженную бароклинную составляющую.

Глава 4. ПРОИСХОЖДЕНИЕ И МЕХАНИЗМЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ КРУПНОМАСШТАБНЫХ ВОЛНОВЫХ ВОЗМУЩЕНИИ П СИСТЕМЕ АЦТ

В приближении теории мелкой воды рассматривается динамика низкочастотных олн на зональном восточнонаправленном течении. Исследуется гипотеза об АЦТ, как

1 возможном волноводе для крупномасштабных волн. Рассматриваются механизмы енерацин крупномасштабных волн.

4.1. Из линеаризованных уравнений движения и неразрывности в приближении еории квазигеострофических баротропных волн на струйном зональном течении для жеана постоянной глубины выводятся дисперсионные уравнения для волн Россби, .труйных и суммарных волн. Показано, что структура зональной струйной волны в меридиональном направлении представляет собой стоячую волну с амплитудой, 1атухающей по экспоненциальной косинус функции от оси течения. Предполагается, 1то этот результат может объяснить многоструйный характер АЦТ, который проявляется по данным океанографических разрезов. В окрестности узлов стоячей эолны, где меридиональные течения в зональной волне близки к нулю, должны наблюдаться струи восточного направления, связанные непосредственно с АЦТ. Количество струй при этом будет зависеть оттого, какая мода в струйной волне преобладает. Далее выводится дисперсионное уравнение для групповой скорости (Сг) суммарных бездивергентных волн на зональном течении. Из уравнения следует, что энергия этих волн на восточнонаправленном струйном течении всегда распространяется на восток и групповая скорость больше фазовой скорости.

4. 2. Так как на альтиметрических картах концентрация энергии возмущений синоптического масштаба отмечается в зоне АЦТ, при резком ее спаде за его пределами, предполагается, что происходит захват низкочастотных волн потоком АЦТ. Т. е. АЦТ является волноводом для низкочастотных волн. Исследуется теоретическая возможность захвата низкочастотных волн зональным струйным потоком. Предполагается, что необходимым условием захвата волн будет их восточное

распространение. Необходимым п достаточным условием - восточное направление фазовом скорости волн и превышение градиента скорости струйного потока над неличинои удвоенного параметра Кориолнса. Последнее условие выполняется только при больших скоростях течения и узком струйном потоке.

4. 3. Выводится уравнение для вынужденных низкочастотных волн на зональном струнном течении. Показывается, что когда удовлетворяется дисперсионное соотношение Лля низкочастотных волн, происходит резонанс вынуждающих сил со ■.вободнымн волнами. Этот результат интерпретируется следующим образом: когда анемобирические возмущения типа циклонов или антициклонов перемещаются со скоростями близкими к фазовым скоростям свободных низкочастотных волн, происходит резонансное возбуждение волновых движений в океане. Делается предположение, что резонансный механизм передачи энергии от внешних сил, вероятно, наиболее эффективный механизм возбуждения низкочастотных волн.

4. 4. Производится сравнение теоретических дисперсионных соотношений для волн Россбн. топографических и струйных воли с наблюдавшимися параметрами волновых возмущений синоптического масштаба в различных районах АЦТ. Показано, что наблюдавшиеся в проливе Дрейка волновые возмущения, распространяющиеся в восточном направлении с фазовыми скоростями 10-14 см/с, периодами 10-50 суток и длинами 90 - 180 км. соответствуют рассчитанным характеристикам струйных волн длиной порядка 60 - 120 км при ширине потока 800 км. Маловероятно, что наблюдавшиеся в проливе Дрейка низкочастотные волны были связаны с топографическими волнами, так как в районе полигона буйковых станций, поданным которого рассчитывались направления и скорости смещения возмущений, изменения глубины были близки к нулю, что должно приводить, согласно дисперсионному соотношению к нулевым фазовым скоростям. На участках, где глубина уменьшается в сторону Антарктического полуострова фазовая скорость топографических волн будет направлена на запад, что противоречит наблюдениям. Лишь на участках, где глубина уменьшается в сторону Южной Америки, при сравнительно небольших уклонах дна (*0.003), фазовая скорость топографических волн может, приближаться к наблюдавшимся скоростям смещения возмущений. Увеличение уклонов дна приводит > тому, что фазовые скорости топографических волн на порядок и более превышают наблюдаемые значения.

Крупномасштабные волны с фазовыми скоростями порядка нескольких сантиметро! в секунду, распространяющиеся, как на запад, так и на восток, с периодами 60 - 180 суток, которые наблюдаются к северу от островов Крозе и Кергелен, могут быть

\

¡язаны, главным образом, со струнными волнамн длиной 300 - 451' км гтрн ширине этока 900 - 1200 км, что подтверждается расчетом характеристик струйных волн, азовые скорости которых могут иметь, также, как восточные, так и западные аправлення, а периоды могут приближатся к наблюдаемым. В этом регионе Южно) о кеана (42° ю. ш.) глубины в основном уменьшаются в сторону Антарктиды, поэтому азовые скорости топографических вслн здесь должны иметь преимущественно жадную составляющую. Однако, близким к фактическим значениям фазовых <оростей топографических волн соответствуют длины в несколько десятков нлометров, что на порядок меньше наблюдавшихся значений длин волн.

К юго-востоку от Новой Зеландии, наблюдавшиеся фазовые скорости наиболее нтенсивных крупномасштабных волн от 8 до 11 см/с, имеющих длины 500-650 км, и ериоды 13-1 ¡5 суток, направленны преимущественно на восток. К таким параметрам риближаются расчетные характеристики струйных волц при ширине потока АЦТ в 500 км. В этом регионе, в месте постановки полигона буйковых станций, глубина меньшается в сторону экватора при уклоне а 0.001. Топографические волны здесь олжны быть направлены на восток, однако опенки их длин, при блшких к 1актическнм скоростям распространения, на порядок меньше наблюдавшихся длин ¡шых интенсивных волновых возмущений.

Из полученных результатов делается вывод, что в АЦТ доминируют струнные олны, вклад которых в динамику этого потока больше, чем топографических и ездивергентных волн Россби. Принятые при выводе дисперсионных соотношений риближения, плохо описывают волны в АЦТ с длинами, превышающими 400-500 км. ¡ероятно, волны этого масштаба могут быть связаны с бароклинными эффектами.

4. 5. Исследуется гипотеза о приливной природе крупномасштабных волновых озмущений в АЦТ. Рассчитаны гармонические постоянные максимального течения ля долгопериодных приливных волн на полигоне в районе к юго-востоку от Новой еландии. Результаты гармонического анализа показали, что волна Мш имеет длину 30 км и распространяется со скоростью 18 см/с на восток, волна МГ имеет длину Ш) км : распространяется со скоростью 15 см/с так же на восток. Сравнение результатов исленного моделирования волны МГ с распределением статического прилива, данное в >аботах Г. И. Марчука н Б. А. Кагана (1991) и Е. \У. 5с1т1(1ек1а (1982), показывает [екоторые общие черты в распределении их характеристик, такие, как выраженная |ротнвофаза приливных колебаний к северу и югу от широт ±35" 16' с уменьшением мплитуд в ^оне теоретического узла стоячей волны статического прилива и увеличение

амплн гуд и зоне пучности этой волны в полярных районах. На фоне этой обшей тенденции отмечаются также значительные отклонения от статических приливов, сиилстспьствуюшие о влиянии динамических приливов. Это, во первых, наличие шс|емы амфнлромических областей, центры которых в Тихом и Индийском океане блнчсн к узловым линиям статического прилива, а также наличие регионов, где амплитуда динамического прилива в 1.5-2 раза превышает величину статического прилива С. \Vunsh (1967), а за ним В. Р. Фукс (1977) объяснили природу долгопериодных приливов, как- результат резонанса приливообразующнх сил с топографическими волнами Россби. Возражения Г. И. Марчука и Б. / . Кагана (1991) против этом точки зрения сводились к тому, что пространственные масштабы волны МГ значительно больше характерных длин волн Россби. Это замечание справедливо д темен гарных бездивергентных волн Россби. Однако следует учитывать, что топографические волны Россби могут иметь масштабы, сравнимые с неоднородностями в поле характеристик ьолны МГ. К тому же статический прилив, возможно, приводит только к начальным возмущениям, которые затем распространяются с характеристиками волн Россби. Таким образом, нельзя исключат определенное влияние долгопериодных приливов на изменчивость течений в синоптическом диапазоне масштабов.

Глава 5. РОЛЬ КРУПНОМАСШТАБНЫХ ВОЛНОВЫХ ВОЗМУЩЕНИЙ АЦТ В ОБЩЕЙ ДИНАМИКЕ ВОД ЮЖНОГО ОКЕАНА.

Формулируется гипотеза о том, что крупномасштабные волны в АЦТ вносят сильные возмущения в этот широкий поток, что должно сказываться на колебаниях уроьня всего Южного океана.

5. 1. Исследуются связи между флуктуациями течений в регионе между Африкой и Антарктидой и колебаниями уровня у берегов Антарктиды и Южной Африки в синоптическом диапазоне масштабов. Для этого был разработан прием приближенно оценки вектора максимальной корреляции между колебаниями течений и уровня, который позволяет рассчитать направление, модуль и фазу вектора максимальной корреляции. С помошью этого приема была выявлена высокая корреляция мехеду флуктуациями течений в стрежне АЦТ и колебаниями уровня у берегов Южной Афри н Антарктиды в синоптическом диапазоне масштабов. Показано, что следующие из уравнений движения и неразрывности взаимные корреляционные функции между составляющими средней по глубине скорости течения на параллель, меридиан и

юзвышениями уровня в приближении теории баротропных геострофнческих волновых юзмущений и предположении об их стационарной связанности, могут быть выражены |ерез корреляции поперечных течению наклонов уровня с самим уровнем. Если финять, что пространственное возмущение уровня имеет вид экспоненциальной юлны, то при принятых условиях модуль нормированной взаимной корреляционной функции скорости течения и уровня равен нормированной автокорреляционной функции уровня, а направление взаимной корреляции уровня и течений отклоняется >право от направления распространения волны на 90°; колебания течения и уровня :ннфазны. Этот результат показывает, что при волнах типа волн Россби с фазопои жоростыо западного направления наибольшая корреляция между течениями и уровнем юлжна быть в северном направлении. Это не противоречит эмпирическим данным. В Зольшннстве случаев рассчитанные направления векторов максимальной корреляции лежду флуктуациями течений в АЦТ и колебаниями уровня у берегов Южной Африки 1 Антарктиды близки к северному.

5. 2. Так как существует высокая связь между флуктуациями течений в стрежне АЦТ ) колебаниями уровня у берегов Южной Африки и Антарктиды, то можно предположить, что столь же высокая связь должна существовать между колебаниями уровней у берегов Южной Африки и Антарктиды. Для проверки этого предположения проводится в стационарном приближении взаимный корреляционный и взаимный :пектральный анализы среднесуточных двухлетних (1978-1979 гг) реализаций уровня на :танциях Сёва и Симоне Бей. Коэффициент максимальной корреляции между колебаниями уровня на этих станциях оказался низким (0.35) и едва превышал доверительный интервал. Вид взаимной корреляционной функции показывает, что в ней доминирует годовая периодичность. Кросс-спектр выявил наибольшие пики энергии на циклах 365, 91, 43, 27 и 14 суток. Однако, когерентности для этих цикличностей имели невысокие значения (0.47-0.68). Поэтому делается предположение, что высокая связь между колебаниями уровня существует, но ответственны за нее нестационарные процессы, т. е. существует прерывистость высокой связи. Чтобы это проверить, каждая из 2-х годовых среднесуточных реализаций уровней на станциях Сёва и Симоне Бей была разделена на 20 синхронных во времени рядов длиной по 100 суток каждый. Предварительно, из рядов исключался низкочастотный тренд, связанный с годовым ходом уровня. С полученными рядами был проведен взаимный-корреляционный анализ. Анализ показал, что коэффициент максимальной корреляции для различных коррелируемых пар меняется в широких пределах. Наибольшее значение (-0.55) приходится на лето-осень 1978 г. Изменение коэффициента максимальной

корреляции во времени говорит о том, что процессы синоптического масштаба, которые находят отражение в колебаниях уровня у различных берегов Южного океа! имеют нестационарный характер. К таким процессам можно отнести, например, образование и распространение в зоне АЦТ низкочастотных волн и синоптических вихрей. Интересно, что самая высокая корреляция (-0.55) приходится на лето-осень 197У г. в Южном полушарии. Именно в этот период по океанографической съемке бь выявлен очень мощный синоптическим вихрь в стрежне АЦТ, и имение в это время ошечалась высоки? связь между флуктуациями течений в стрежне АЦТ и колебания» уровня на антарктической станции Сёва и Симоне Бей.

Ьключсиис. Приводятся основные результаты и выводы.

1. Выявлены основные энергонссущне максимумы в колебаниях течений и уровня в Южном океане в синоптическом диапазоне масштабов на периодах 11 - 13, 14 - 18 72 - 113 суток.

2. Доказано, что в АЦТ наибольший вклад в суммарную энергию течений вносят не синоптические вихри, а крупномасштабные волновые возмущения (55% - 69%).

3. Исследована пространственно-временная структура и параметры крупномасштабн вопновых возмущений в АЦТ. Наиболее интенсивные волны близки к баротропны имеют периоды около 70 суток, длины 500 - 650 км и распространяются на восток • юго-восток с фазовыми скоростями 8-11 см/с. Менее интенсивные волны с периодами 11 - ¡3 суток имеют выраженную бароклинную составляющую, длины км и распространяются на юго-восток со скоростями порядка 7 см/с.

4. Из линеаризованных уравнений движения и неразрывности в приближении теории

хказигеосп рофических баротропных волн на струйном зональном течении для океана постоянной глубины выведены оригинальные дисперсионные уравнения д волн Россби и струнных волн. Показано, что струйные волны являются самостоятельной модой низкочастотных колебаний.

5. Структура зональной струйной волны в меридиональном направлении представля:

собой стоячую волну с амплитудой затухающей по экспоненциальной косинус функции пр!' удалении от оси течения.

I 21

Выведены днсперснонные уравнения для групповой скорости (С,) суммарных безднвергентных волн на зональном течении. Показано, что энергия этих волн на восточнонаправленном струнном течении всегда направлена на восток, и групповая скорость больше фазовой скорости.

Выдвигается гипотеза о том, что АЦТ является волноводом для крупномасштабных волн. Предполагается, что необходимым условием захвата волн будет их восточное распространение и превышение градиента скорости струйного потока над величиной удвоенного параметра Кориолиса.

Произведено сравнение теоретических дисперсионных соотношений для волн Россби, топографических и струнных волн с наблюдавшимися характеристиками низкочастотных волн в различных районах Южного.океана. Сравнение показало, что в АЦТ доминируют струйные волны, вклад которых в динамику этого потоки больше, чем топографических и бездивергентных волн Россби.

Для исследования связи между флуктуацнями течений в АЦТ и колебаниями уровня в Южном океане разработан прием приближенной оценки вектора максимальной корреляции. С помощью этого приема выявлена высокая связь между флуктуациями течений в АЦТ и колебаниями уровня у берегов Южной Африки и Антарктиды в синоптическом диапазоне масштабов.

В приближении теории баротропных геострофических волновых возмущении типа волн Россби выведены соотношения между корреляционными функциями уровня и течений. Показано, что направление максимальной взаимной корреляции уровня и течений отклоняется вправо от направления распространения волны на 90°.

Основные положения диссертации отражены в следующих работах:

1. Взаимно-корреляционные функции колебаний течений и уровня в крупномасштабных волновых процессах. Тезисы доклада на IV Всесоюзной конференции "Перспективные методы планирования и анализа экспериментов при исследовании случайных полей и процессов" (Петрозаводск, I0-J2 сентября 199J г. Издательство МЭИ. Москва. 1991 г, с. 116 - 117. (совместно с В. Р. Фуксом).

2. On the dependency of the level variations at the South Ocean from the large-scale wave, perturbations in the Antarctic Circumpolar Current. Annales Geophysicae. Part II, Supplement И to Volume 11. 1993, p. 163. (With V. R. Fooks)

3. Зависимость низкочастотных колебаний уровня у берегов Антарктиды от возмущений п системе АЦТ. Издательство РГГМИ. Сборник научных статен (межвузовский). Вып. 117. IУУ4 г., с. 146 - 157. (совместно с В. Р. Фуксом).

4. The Antarctic Circumpolar Current as a possible waveguide for the Rossby waves. Annt Geophysicae-. Part II, Supplement II to Volume 12. 1994, p. 229.

5. Low-frequency wave perturbations in the Antarctic Circumpolar Current. Annales Geophysicae. Part II, Supplement II to Volume 13. 1995, p. 294.

6. О вкладе волн Россби и струйных волн в изменчивость Антарктического циркумполярного течения. Вестник Санкт-Петербургского университета. Серия 7, выпуск 3, 1997. (в печати, совместно с В. Р. Ф>ксом)

7. О вкладе процессов'различных временных масштабов в изменчивость течений и уровня Южного океана. Известия Русского географического общества. Том 129, Вып. 3, 1997. (в печати).

8. Large-scale level variations in the Laptev Sea. Third Workshop on Russian-German Cooperation: Laptev Sea System. Terra Nostra, October 16-19, 1996, p. 32. (With G. N. Voinov).